（岩土工程专业论文）浅埋偏压软岩连拱隧道围岩稳定性分析.pdf

a n a l y s i so ns t a b i l i t yo fs h a l l o w a n du n s y - - m m e t r i c a ll o a d i n gm u l t i - - a r c ht u n n e li ns o f tr o c km a s s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a nd i d a t e ：q i np e n g ju s u p e r v i s o r ：p r o f c h e n gx u d o n g c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n da r c h i t e c r u r ee n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 叁型聱日期：卸7 阵s 月多日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：, 2 oj 侔5 为, 5 h 日期：工科年 朝弓7 e l 摘要 连拱隧道在地下建筑结构隧道建设中所占份额逐渐增大，穿越我国东南、西南地区 的山岭公路隧道已经有4 0 0 多座，并且随着公路交通的现代化，隧道建设日益增多。但 是，连拱隧道设计施工运营过程中仍然存在许多问题。工程中，由于线路限制和桥梁隧 道接线的要求，连拱形式常应用于隧道建设中，连拱隧道跨度往往较大，上覆岩体厚度 不均匀，容易出现偏压现象，并且隧道经常穿越软岩地质。所以，软岩偏压连拱隧道是 工程中常见的施工工况。在软岩偏压条件下施工的连拱隧道，工程地质条件、设计施工 技术复杂，需要针对具体的施工状况进行研究分析。工程中首要解决的问题就是围岩的 稳定性，保证隧道开挖以后隧洞不发生坍塌事故，保证隧道施工使用安全。 本文立足于隧道围岩的稳定性，分析软岩偏压连拱隧道围岩施工力学情况。分析的 内容主要包括如下：1 、从偏压较大一侧隧道分部开挖与从偏压较小一侧分部开挖方案 比较。具体是建立二维连拱分部开挖模型，分析了不同部分开挖后，围岩的位移和应力 变化情况、中墙的应力变化情况，并且对两种开挖方案的围岩稳定性进行比较；结果表 明：从中墙的应力和支护结构内力分析来看，从偏压较大一侧分部开挖隧道的方案更合 理；偏压连拱隧道中引起的不平衡力较大，可以考虑采用不对称的支护方式；中墙应力 变化复杂，顶部和底部尖角处容易出现应力集中，需要进行加强。2 、隧道围岩纵向开 挖稳定性分析。具体是建立三维连拱隧道开挖模型，隧道采用全断面开挖方法，分析隧 道从偏压较大一侧开始开挖时，应力、位移在纵向和横向的变化情况。分析表明：掌子 面处开挖的影响范围大约是2 倍的洞径；偏压较大一侧支护结构所受内力较大。本文对 隧道设计和支护结构参数的选取具有指导意义。 关键词：浅埋偏压，软弱围岩，连拱隧道，稳定性 a n a l y s i so ns t a b i l i t yo fs h a l l o w a n d u n s y m m e t r i c a l l o a d i n g m u l t i - a r c ht u n n e li ns o f tr o c km a s s q i np e n g iu ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f c h e n gx u d o n g a b s t r a c t t h er o l ei nw h i c hm u l t i - a r c ht u n n e lp l a y si nu n d e r g r o u n ds t r u c t u r et u n n e lc o n s t r u c t i o ni s g r a d u a l l yi n c r e a s i n g ，t u n n e l st h r o u g hm o u t a i nh a v em o r et h a n4 0 0i nt h es o u t h e a s ta n d s o u t h w e s ti nc h i n a , a n da r es h a r p l yi n c r e a s i n gw i t ht h eh i g h w a yt r a f f i cm o d e m i z a t i o n b u t ， u n t i lt o d a ym u l t i - a r c ht u n n e lt h e o r ys t i l lf a l lb e h i n dt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g i ne n g i n e e r i n g ， d u et ot h er o a dr e s t r i c t i o na n dn e e df o rt h ec o n n e c t i o no fb r i d g ea n dt u n n e l ，m u l t i a r c ht u n n e l w a so f t e nu s e di nt h ec o n s t r u c t i o n ，a n da r c hs p a no f t e ni sc o m p a r e l yw i d es ot h a tt h et u n n e l s t r u c t u r ei se a s yt os u f f e rt h ei n f l u e n c eo fu n s y m m e t r i c a ll o a d i n gp h e n o m e n o n ，a n ds o f tr o c k w a so f t e ne n c o u n t e r e d s o ，m u l t i a r c ht u n n e li so f t e nc o n s t r u c t e di nu n s y m m e t r i c a ll o a d i n g a n ds o f ts u r r o u n d i n gr o c km a s s o w i n gt ot h ec o m p l e x i t yo fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n a n dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e se c t ，t h ep r o j e c ts h o u l db ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h e s p e c i f i ce n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e di st oe n s u r et h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c ki nt h ep r o c e s so ft u n n e la d v a n c e ，w h i c hg u a r a n t e et h a tt u n n e lw i l ln o tf a l l d o w na n dt h es a f t yo fc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，b a s e do nt h es t a b i l i t yo ft u n n e ls 附o u n d i n g r o c km a s s ，t h i sp a p e rw i l la n a l y et h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fs h a l l o wa n du n s y m m e t r i c a l l o a d i n gt u n n e ll o c a t e do ns o f tr o c km a s s t h er e s e a r c hc o n t e n ti sm a i n l ya sf o l l o w s ：f i r s t ， c o m p a r i s o no ft w oc o n s t r u c t i o ns c h e m e sw h e t h e rt h et u n n e li se x c a v a t e df r o mt h es i d eo f h i g h e ru n s y m m e t r i c a ls i d eo rn o t ，t h ed e t a i li st ob u i l dt w o d i m e n s i o n a lm u l t i a r c ht u n n e l a d v a n c em o d e lu s e dt oa n a l y z ea n ds t u d yd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s ss t a t e so fs u r r o u n d i n gr o c k u n d e rd i f f e r e n te x c a v a t i o ns t e p s r e s u l t ss h o wt h a t ：i ti sm o r er e a s o n a b l et ou s et h e e x c a v a t i o ns c h e m ef r o mt h es i d eo fh i g h e ru n s y m m e t r i c a ll o a d ；u n s y m m e t r i c a l l o a d i n g t u n n e l sh a v eab i gi n f l u e n c eo nt u n n e ls u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，t ow h i c hc o n s i d e ru s i n gt h e u n s y m m e t r i c a ls u p p o r t i n gm e t h o d ；t h ec h a n g e so fs t r e s so nm i d d l ew a l la l ec o m p l e x ，t h e s h a r pc o m e ri nt h et o pa n db o t t o mo fm i d d l ew a l li sp r o n et os u f f e rs t r e s sc o n c e n t r a t i o nw h i c h n e e dt ob er e i n f o r c e d s e c o n d ，at h r e e d i m e n s i o nm o d e lo ft u n n e la d v a n c et h a ta d o p tf u l lf a c e e x c a v a t i o ni sb u i l tf o ra n l y s i so nt h ec h a n g e so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nl o n g i t u d i n a la n d t r a n s v e r s eo r i e n t a t i o no ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c km a s sw h e ni ti sa d v a n c e df r o mr i g h tt ol e t t a n a l y s i ss h o w st h a t ：t h ei n f l u e n c es c o p ei l e a l t h ee x c a v a t i o no ff a c ei sa b o u tt w i c el o n g e r t h a ni t sd i a m e t e r ；s t r u c t u r ei nt h es i d eo fh i g h e ru n s y m m e t r i c a ll o a db e a r sm o r ef o r c e st h a n t h a to fl o w e ru n s y m m e t r i c a ll o a d k e yw o r d ：s h a l l o wa n du n s y m m e t r i c a ll o a d i n g ，s o f tr o c km a s s ，m u l t i - a r c ht u n n e l ， s t a b i l i t y 1 1 1 1 7 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 目录 l 1 ：! ：! ：； 4 ! ； 6 6 本文研究内容8 连拱隧道围岩稳定性分析方法9 i ；l 言9 国内外研究方法9 2 2 1力学方法9 2 2 2 数值分析14 2 2 3 人工神经网络16 2 2 4 工程类比的方法17 2 2 5 反分析法。17 软岩对连拱隧道影响1 7 深浅埋隧道的确定1 9 软岩连拱隧道主要研究问题一2 0 横向开挖步骤对围岩稳定性的影响2 1 引言21 工程概况2l 建立模型2 1 观测点布置2 4 力学参数确定2 4 数据分析2 5 结论3 9 第四章纵向施工步骤对围岩稳定性影响4 0 4 1引言4 0 4 2 工程概况4 0 4 3 建立模型4 0 4 4 观测点布置。4 3 4 5 力学参数确定4 3 4 6 数据分析4 3 4 7 结论5 2 结论与展望5 3 结论5 3 展望5 3 参考文献5 5 l 咐录6 1 二维模型命令流6 1 三维模拟命令流6 6 攻读硕士学位期间取得的学术成果。7 2 致j 射7 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 我国是一个地形复杂的国家，高原、丘陵、山区等占我国2 3 国土面积，在这些地 区建设公路、铁路时，为了满足缩短线路、保护环境、节约土地和通过复杂地形的需要， 隧道建设逐渐得到推广，成为人们关注的焦点。在一些特殊地形下，由于连拱隧道能够 弥补线路分离困难，或者占有土地太多，拆迁量太大，工程投资大等特点，在工程建设 中得到应用并不断发展壮大。 公路隧道设计规范( j t g d 7 0 2 0 0 4 ) 中定义连拱隧道( m u l t i a r c ht u n n e l ) 为两洞拱 部衬砌结构通过中柱相连接的隧道结构。连拱隧道主要是拱部相连，更严格的说是双连 拱隧道，有人根据隧道的形状，称它为“m ”型隧道。在日本，称连拱隧道为“眼镜法 隧道或眼睛状隧道。连拱隧道的英文表示有：t w i nt u n n e l ，m u l t i a r c ht u n n e l ，d o u b l e a r c h t u n n e l ，d o u b l e a r c h e dt u n n e l 等等。双洞连拱隧道是公路隧道最常用的形式，除特别注明， 本文以下引用的连拱隧道指的均为双洞连拱隧道( 如图1 1 所示) 。 图1 - 1 连拱隧道 f i g 1 - 1m u l t i - a r c ht u n n e l 连拱隧道在地下建筑结构隧道建设中所占份额逐渐增大，穿越我国东南、西南地区 的山岭公路隧道已经有4 0 0 多座，并且随着公路交通的现代化，隧道建设日益增多。但 是，连拱隧道设计施工运营过程中仍然存在许多问题。本文力求结合工程实际，指导隧 道设计施工。 第一章绪论 1 2 连拱隧道 连拱隧道根据中墙排水形式分为整体式和复合式连拱隧道，分别分为直墙隧道和曲 墙隧道。 1 2 1 连拱隧道形式 整体式隧道的支护结构支撑在中墙上，包括一次衬砌、隔水层和二次衬砌。整体式 隧道由于衬砌和中墙难以同步施工，衬砌结构和中墙之间形成施工缝，并且主洞与中墙 之间设置横向排水管排水，中墙顶部下凹部分容易出现渗漏和积水病害。整体式隧道施 工工艺简单、施工作用荷载明确、中墙厚度小，两拱之间的距离最小，整体性好，洞内 行车道中心线和洞外行车道中心线距离相差最小，故现今依然在广泛使用。整体式直墙 隧道容易影响驾驶人员的视线，人为的缩小通行线路的宽度( 如图1 2 、1 3 所示) 。 复合式连拱隧道一次衬砌作用在中墙结构上，中墙厚度较大，等到一次衬砌基本稳 定之后，及时的模筑二次衬砌，二次衬砌形成一个闭合的结构。为了防止积水和渗漏水， 可在一次衬砌和二次衬砌之间施工隔水层。由于二次衬砌是模筑的，不会像整体式结构 一样，钢筋层直接与隔水层接触，破坏隔水层，影响隧道防水效果，故复合式衬砌防水 效果比较好。围岩稳定性好，破坏比较小。复合式衬砌施工工艺比较复杂，投资比较大。 图1 2 整体式曲墙隧道 f i g 1 - 2i n t e g r a lc u r v e dw a l lt u n n e l 图1 - 4 复合式曲墙隧道 f i g 1 - 4c o m p o s i t ec u r v e dw a l lt u n n e l 2 图l - 3 整体式直墙隧道 f i g 1 - 3i n t e g r a ls t r a i g h tw a l lt u n n e l 图1 - 5 复合式直墙隧道 f i g 1 - 5c o m p o s i t es t r a i g h tw a l lt u n n e l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 2 连拱隧道支护形式 支护软岩隧道的结构形式多种多样，其中主要有喷锚支护、复合支护、钢拱架、超 前支护、压力支护、降水支护和冻结支护。 喷锚支护形式主要包括铁丝网喷混凝土、铁丝网锚杆喷混凝土、铁丝网钢拱架喷混 凝土、铁丝网锚杆钢拱架喷混凝土，喷锚支护可以根据具体地质条件采用柔性支护和刚 性支护。当采用柔性的锚喷支护结构时，支护结构能够随软弱围岩一同变形，调整围岩 应力，充分发挥支护结构同隧道结构之间的相互作用。锚杆能够穿过各个块体，并且可 以注浆填充各块体之间的空隙，增加块体之间的粘结能力，把分散的块体粘结到一起， 使破碎的块体粘结成整体，提高围岩的整体和局部的稳定性【l 】。 复合支护分为一次支护和二次支护，一次支护可以采用多种方式，如喷锚支护方式 或直接喷混凝土的方式，一次支护通常为柔性支护，等到围岩和一次支护整体位移基本 稳定，模筑二次衬砌，先支模板，再绑扎钢筋，最后浇筑混凝土，等到混凝土凝固以后 达到一定强度后拆模板。另外，如果地下结构需要进行永久防水，可以在一次衬砌和二 次衬砌之间施作防水层，达到密封隧道洞体的目的，又可以保护钢筋免受地下水的腐蚀， 这种方法在工程中应用逐渐普遍。复合支护的一次衬砌在一般条件下作为主要承受隧道 变形压力的支护结构，在一次衬砌和围岩基本变形稳定之后，再施做二次衬砌，则二次 衬砌主要作为隧道安全储备，可以防止隧道受到较大的荷载扰动而发生较大的变形，或 者混凝土发生徐变的时候，二次衬砌可以作为抵抗隧道围岩发生较大变形的第二道放 线。 钢拱架则是在隧道开挖以后首先布置钢拱架，抵抗隧道发生较大的变形。在架设钢 拱架之前，通常打入超前锚杆，进行超前支护，使围岩尽可能的成为整体。然后架设钢 拱架，超前锚杆与钢拱架协同工作，共同抵抗隧道变形。架设完成钢拱架以后，喷射混 凝土，把钢拱架包裹在混凝土中，混凝土、钢格栅、超前锚杆共同作用抵抗隧道围岩变 形。钢格栅支护结构刚度比较大，所以支护结构中应力比柔性支护要大，可以对地面沉 降和拱顶沉降起到良好的抵抗作用，适合对位移及变形要求比较严格的工程地质。 超前支护有多种形式，主要用于围岩自承能力差，开挖后易出现坍塌的地质情况， 主要为v 级和级围岩。超前支护的形式有：大管棚支护技术、小导管注浆技术、超前 锚杆支护技术等。大管棚支护技术，通过把钢管打入坚硬岩层对洞口处围岩起到支护作 用。大管棚支护技术通常在隧道洞口处采用，防治洞口软弱围岩发生崩塌，承载仰坡和 3 第一章绪论 边坡的荷载。小导管注浆通常应用于喷锚支护等支护过程中，通过注浆使管道周围一定 范围内形成加强区，对围岩形成支护结构。小导管注浆技术，通常应用于开挖前，对软 弱围岩或掌子面进行注浆加固。超前锚杆则是提前在即将开挖区域上方、侧方或掌子面 施作锚杆，隧道上方锚杆施工时通常有一定的仰角，防止锚杆在施工过程中发生弯曲， 进入开挖地层，影响施工和隧道安全。超前锚杆跟小导管的作用机理基本相同，同时他 还承担围岩变形的压力，超前锚杆设计方法可以参照钢筋混凝土结构中梁的设计方法， 锚杆起到钢筋混凝土梁中纵筋的作用。超前锚杆包括多种形式：全长粘结锚杆、端头锚 固锚杆、摩擦锚固锚杆等，主要通过锚杆连接各块岩体，与钢拱架共同作用承担岩土。 冻结支护是一种在地下水丰富的环境下施工的支护方法，其施工过程是首先在地层 中打入冷却管，冷冻开挖区域周围的地下水，使地下水冻结成止水帷幕，抵抗地下水涌 入。另外，可以通过风压平衡地下水压，减少地下水渗入。冻结支护通常应用于地下水 丰富的地质条件下，形成天然的止水帷幕，同时加强围岩的的刚度，降低围岩变形。同 时，可以通过气压平衡地下水的压力，抵抗地下水的涌入，为地下施工提供比较干燥的 施工环境。同时，在海底隧道施工情况下，气压平衡海水的巨大压力，减少海水的渗入。 水位较低的情况，可以采用降水法降低地下水水位，为开挖后隧道创造一个干燥的施工 环境，能够提高围岩的稳定性，增加块体之间的镶嵌、咬合作用力。 1 3 连拱隧道施工事故 连拱隧道施工过程中，由于施工安全体系出现问题，地质勘查不足，设计方案不合 理或者施工方法不合理等引起连拱隧道主要事故有：1 、隧道洞口边仰坡出现滑坡、塌 方，如小曼萨河隧道、龟型地隧道、富溪隧道、五龙岭隧道；2 、围岩隧道洞身段塌方， 如金竹林隧道；3 、隧道施工期衬砌出现裂缝和坍塌破坏，如下杨干隧道、下扬坑隧道。 4 、复杂岩溶隧道突水、突泥，如大扁山隧道、东苗冲隧道。5 、中墙错台、移位。6 、 隧道大变形造成围岩结构侵限。 引起连拱隧道施工事故的原因多种多样：l 、两拱隧道施工时相互影响比较大，由 于隧洞距离比较近，后行施工隧道对前行施工隧道影响比较大。2 、扰动的影响，无论 施工过程还是使用过程中，隧道不可避免的受到扰动，如爆破开挖过程受到的冲击荷载， 地面荷载影响等。3 、大跨度隧道，为了满足交通的要求，大跨度连拱隧道逐渐增多， 对施工技术等提出更加严格的要求。4 、偏压的影响，由于隧道跨度比较大，隧道浅埋 时遇到偏压，如洞口位置隧道往往受到偏压的影响。5 、浅深埋的影响，隧道浅埋，地 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表岩土容易受到扰动坍塌，对施工技术要求更高。深埋条件下隧道中岩石容易出现岩爆、 流变等现象同样会危害隧道围岩的稳定性。6 、地下水的影响，地下水渗漏会影响隧道 使用功能，并且会加速隧道施工过程中所用钢结构的腐蚀，另外，地下水软化隧道围岩， 影响隧道围岩的稳定性。所以，地下水的影响需要考虑。7 、中墙与拱的共同作用；施 工过程中隧道开挖往往分步进行，考虑中墙与拱的共同作用，并且中墙受力复杂，施工 技术难度大。分析多种影响因素后，发现最主要的影响因素是软岩、浅埋和偏压的影响， 本文将结合这三种影响因素研究围岩的稳定性，为隧道结构安全提供理论依据。 1 4 连拱隧道发展趋势 连拱隧道逐渐向大跨度隧道、长距离隧道方向发展。在施工过程中进行实时监控量 测，动态反馈和控制，向信息化、机械化和智能化方向发展。以满足在隧道开挖安全的 前提下，加快施工速度，提高施工效率。 l 、隧道开挖前进行地质调查，提高地质勘查的水平，采用先进的地质勘查手段， 准确掌握隧道开挖的地质条件、水文条件等，为围岩分级和隧道支护参数选择提供尽可 能准确详细的资料。 2 、设计阶段，继续发展完善隧道设计理论，建立合理的模型，确定隧道支护设计 参数。充分利用计算机技术，提高隧道的模拟水平。进行隧道参数优化设计，快速从多 种方案中确定较最合理的设计方案。地层荷载的确定理论仍然需要完善。不同的地质条 件下，围岩性质大不相同，针对不同地质发展不同的连拱隧道设计理论具有重要意义。 各种应急的措施，危险情况的处理技术等设计也需要继续深入研究。继续加强模拟和现 场试验研究，使工程建设即安全又经济。 3 、施工阶段，继续总结施工技术和方法，为施工提供更多的工艺方法。加强施工 中的监控量测，及时采集开挖断面及其周围的地质信息和隧道开挖后围岩稳定性情况， 运用先进的开挖施工技术、动态反馈和控制。利用快速的计算技术手段，根据现场采集 数据，进行围岩位移的智能预测。根据不同的地质条件，总结不同的连拱隧道施工方法 具有现实意义。在不同的地质条件下，采用不同的工艺和施工方法，根据具体的地质进 行围岩分类，确定相应的隧道结构，施工技术和形势，隧道设计标准化，编制规范，出 版专著。 4 、运营阶段主要进行长期的观察和数据的采集，以及对后续的加固维护过程做出 切合实际的方案。保证在使用期限内能够满足使用要求，防止灾害出现等。 5 第一章绪论 总之，连拱隧道在设计施工运营等阶段的理论，仍需继续发展。以可持续发展和科 学发展观的态度研究连拱隧道中出现的问题，提高隧道设计施工效率，运营水平。 1 5 适用的工程对象 连拱隧道自身特点以及与分离式隧道和小净距隧道相比具有以下优势： l 、连拱隧道适合绝大部分地质条件，山岭重丘、阻隔城乡结合处等，i i i 、v 级围岩均可以采用连拱隧道，减少接线长度。 2 、在不适合开挖上下线单拱隧道和小净距隧道，避免分离式隧道深挖高填施工， 可采用连拱隧道。 3 、比较适合采用矿山法开挖的岩石隧道，不适合在粘性较大的土质中开挖，可进 行水下、海底的穿越工程。采用预先加固的方法，可以穿越软岩、膨胀、高压等特殊地 质条件。 4 、对交通量较大的地区，地下水位高地区，通过降水也可采用连拱隧道开挖形式。 同时，可以应用于开挖断面发生变化的隧道工程以及开挖断面不同尺寸的隧道。 5 、地质条件差，地形起伏不定条件下，连拱隧道可以根据地形变化，采用更加合 理的断面形式。避免线路接线分开，增加线路长度和弯曲度。 6 、连拱隧道可以和公路、铁路进行平顺的接线，而不需要专门将线路分开，可以 减少路线长度，经济性较好。 7 、适合复杂变化的地段，特别适合穿越岩石地质条件，可采用多种开挖方式，既 可以采用大型机械开挖，又可以采用矿山法，灵活性好。 8 、对地面交通不能中断或短时间必须通行的隧道工程。连拱隧道通常较短，多在 5 0 0 m 以下，以满足工程经济性要求。当在特殊地质条件下，采用分离式开挖，左右线 隧道开挖长度相差过大，或者资金投入过大，宜采用连拱隧道形式。在施工技术和经济 性方面，与小净距隧道比，连拱隧道更适宜在软弱围岩地质中进行开挖。 9 、在满足增加通行量对跨度要求的前提下，更适合穿越体积小的山体、丘陵；同 样一座山体，连拱隧道可以减少展线长度，提高高程，亦可以不需要回填而穿过山体， 对环境的影响比较小。 1 6 连拱隧道研究现状 连拱隧道在我国出现的时间比较晚，第一条连拱隧道是1 9 9 5 广州市白云山隧道， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 长3 1 5 m 。因为连拱隧道结构能够使线路变得集中紧凑，更加合理的运用空间，缩短道 路交通路线，施工条件受地貌因素影响小，适合穿越陡峭的山岭，应用逐渐变得广泛。 我国隧道经历了初期阶段、快速发展阶段和稳步发展阶段【2 h 3 1 。 初期阶段经历了一个摸索的过程，这一时期建设隧道不多，主要有：9 8 年福州建成 的象山四联拱隧道，2 0 0 0 年福建建成的相思岭隧道、广西洋马河隧道。 2 0 0 1 2 0 0 4 年，快速发展阶段连拱隧道大量建设，如云南元磨高速公路建有1 5 座连 拱隧道，浙江金立温高速二期建有2 1 座隧道。 2 0 0 5 年至今，连拱隧道建设进入一个专业发展的阶段，这主要是因为公路隧道设 计规范( j t g d 7 0 2 0 0 4 ) 开始实施。从此隧道设计将有法可依，逐步进入标准化、专业 化发展阶段。 现在，我国连拱隧道在山岭公路隧道中应用比较多，长度多在5 0 0 米以下的中短隧 道。跨度有原先的两车道，发展到现在的六车道，甚至八车道，隧道跨度不断增大。施 工的长度不断增长，逐渐向长大隧道方向发展。隧道开挖同时向两个极端发展，开挖过 程中经常遇到比较特殊的地段，如超浅埋开挖连拱隧道和超深埋连拱隧道。我国已建和 在建的连拱隧道数量达4 0 0 余座，其中三车道连拱隧道3 0 余座，成为世界上连拱隧道 最多和发展速度最快国家。 连拱隧道在国外的应用始于上世纪3 0 年代，真正在公路隧道推广应用是从上世纪 7 0 年代的开始。目前，连拱隧道己被应用于西方发达国家的地铁、铁路和公路。检索表 明，美国托登斯堡地铁车站、德国埃森哥诺斯地铁车站等采用中柱式结构的连拱隧道； 瑞士卢塞恩州2 号公路的m a r i a z c u 隧道、伯尔尼l 号公路b r u n n e n 隧道等采用连拱隧 道；德国h a l m o v e r - w u e r z b u r g 铁路全长3 2 8 k m ，其中有里程数为3 0 k m 的连拱形式隧道， 其中最著名的是w u e r z b u r g 连拱隧道，全长达5 1 0 0 m 。 在日本，连拱隧道在公路交通建设方面的应用得到长足的发展。日本由于人口多， 国土面积小，地下结构应用比较多，发展比较快，如日本国道4 5 5 号的北山隧道为双洞 隧道，先进洞宽1 0 8 m ，后进洞宽1 3 6 8 5 m ，隧道全长9 5 0 m 。由于土地条件、环境保护 和文物保护等条件限制，连拱隧道不仅应用于山岭公路交通，而且被广泛应用于城市道 路交通工程，如金沉市外环道路涌波隧道、京都北近敬道路私市园山隧道等，相对而言， 日本连拱隧道埋深较浅。 7 第一章绪论 1 7 本文研究内容 本文主要分析软岩地质条件下偏压连拱隧道围岩稳定性情况。软岩条件下隧道施工 过程中，围岩支护不及时时，围岩容易出现大变形、流变的情况，影响着围岩的稳定性。 同时，在隧道洞口地段或穿越埋深浅地层时，连拱隧道埋深受地形影响较大，围岩对隧 道产生偏压的影响，支护结构受力不对称，影响围岩的稳定性。本文结合工程中常常遇 到的软岩偏压连拱隧道出现的问题，进行理论的分析总结，采用数值分析手段，分析不 同地质、地形条件下，围岩应力和位移的变化，为确定比较合理的设计施工方案提供依 据。 具体工作如下：l 、比较不同分部开挖条件下，围岩力学行为变化。建立二维平面 应变模型，共8 个开挖部分，按照一定的顺序开挖。分析隧道从偏压较大一侧开挖和偏 压较小一侧开始时，对围岩的稳定性不利，确定对偏压结构比较合理的开挖方式。2 、 沿隧道开挖方向围岩稳定性分析，具体是建立三维模型，分析隧道掘进时围岩的应力和 位移变化。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1引言 第二章连拱隧道围岩稳定性分析方法 洞室开挖以后，破坏了围岩天然平衡状态，形成新的平衡状态，称为围岩应力重分 布状态。在应力重分布状态下，围岩产生变形，当围岩的变形超过一定值时，围岩发生 破坏，破坏的围岩作用在支护结构上，对支护结构产生围岩压力。支护结构受到拱顶的 围岩压力侧边发生变形时，围岩对支护结构产生围岩抗力，或称为弹性抗力。围岩稳定 性的研究实质上就是研究这几种力的形成机理和计算方法。通过研究分析围岩稳定性， 可以定性和定量的确定围岩应力分布、围岩的变形、围岩的破坏、支护结构的设计参数， 为隧道的设计施工提供理论指导。 2 2 国内外研究方法 2 2 1 力学方法 1 9 世纪开始人们对散体理论进行研究、如朗肯理论和库仑理论。随着弹性理论的研 究，建立弹性、弹塑性和粘弹塑性本构模型。在埋深较大的条件下，围岩容易出现流动， 流变理论逐渐应用到工程实践中，朱素平等【4 】提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性 模型进行围岩稳定性的力学分析。1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕变断裂时首 先提出了损伤的概念【5 h 6 】，后经多国学者完善，发展为“损伤力学学科，国内学者引 用到围岩稳定性分析，如李术才应用损伤力学模型建立锚杆裂隙地质下的本构模型来分 析围岩稳定性和力学行为 7 1 f 1 2 】。 早期，人们把围岩看作作用在支护结构上的荷载，应用荷载结构法，根据支护的 形状把石料和砖块砌筑的隧道简化成拱圈等结构形式，采用结构力学的方法进行结构设 计。后来，人们认识到，当对隧道埋深较大时，并不是所有上覆围岩全部作用于隧道上， 转而采用“松动应力”的设计方法。2 0 世纪初，人们认识到，围岩对支护结构具有约束 的作用，采用假设弹性抗力的方法进行隧道设计。这些设计的思想主要借鉴于地面结构 的设计方式，注重的是支护结构设计的结果，对支护结构和隧道围岩的相互作用没有考 虑。 9 第二章连拱隧道围岩稳定性分析方法 b c 图2 - 1 浅埋结构垂直围岩压力计算图 f i g 2 - 1v e r t i c a ls u r r o u n d i n gr o c k p r e s s u r ec o m p u t a t i o ng r a p ho fs h a l l o w b u r i e ds t r u c t u r e bc 图2 - 2 深埋结构垂直围岩压力计算图 f i g 2 - 2v e r t i c a ls u r r o u n d i n gr o c k p r e s s u r ec o m p u t a t i o ng r a p ho fd e e p b u r i e ds t r u c t u r e l 、浅埋结构垂直围岩压力计算 因为地下结构上方覆盖的岩层不可能是支护结构正上方的岩体重力。为了简化计 算，假设岩体沿4 5 0 由2 的角度的面为滑动面。只有滑动面内部的岩体才能发生滑动， 滑动面以外的岩体是稳定的。假定滑移的岩体为a b c d ，他所受到的抵抗力是沿a b 和 c d 两个面的摩擦力之和( 如图2 1 所示) 。因此，作用在地下结构上的总压力为： o = g 一2 f ( 2 - 1 ) 式中g a b c d 体的总重量； 卜a b 或c d 面对g 的摩擦力。 由几何关系： 2 a ：= 2 a 卞2 h t a n ( 4 5 。一匀( 2 2 ) g = 2 a 1 h 7 = 2 陋+ 厅t a n t a n ( 4 5 。一h ( 2 - 3 ) a b ( 或c d ) 面的水平压力为三角形分布，其最大值在a 点( 或d 点) ： 2 场训t 觚2 ( 4 5 0 一纠 ( 2 - 4 ) a b ( c d ) 面所受的总水平力： e = 三日朋a n 2 ( 4 5 。一争扣2 劬2 ( 4 5 。一争( 2 - 5 ) a b ( c d ) 面所受的摩擦力： f = e 豫n d 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 = 量y h ：t a n ：( 4 s 。- t a n p ( 2 6 ) q - 2 y ha + h t a n ( 4 s 。一詈) 】- - y h = t a n 2 ( 4 s 。一t a n 9 ( 2 7 ) 围岩应力集度为： q 驾量= y h 【l 一量钮n 2 ( 4 s ：一t a n q o ( 2 8 ) 由于q 值是随地下结构所处的深度h 而变化，最大围岩压力的深度为： h m 麟兰i 丽= 耵丽 妇n 辱。一素豫n d 。 ( 2 9 ) 围岩压力总值为： q 一面丽y e t 2 ( 2 m ) 围岩压力集度： q m 讼暑磊鬲云y o 1 丽 - ( 2 1 2 ) 既： q m 端= y h m 曩= c ( 2 - 1 3 ) 2 、深埋结构垂直围岩压力计算 当隧道埋深逐渐增多，两侧的摩擦力足够抵抗下滑围岩的重力。围岩中能够形成压 力拱，压力拱能够自稳，而支护结构承受压力拱下方的围岩应力。如图2 - 2 所示，a b c d e 形成压力拱，支护结构承受a d e 部分围岩压力。 假定压力拱拱轴线受有均布载荷，集度为q 。如图2 - 3 所示，根据压力拱轴线各点 无力矩的理论，可建立如下方程： h y iq x = = 0 。= 鲁x ：(214)v 1 4= 二x 。( 2 一 。 ： 、一 第二章连拱隧道围岩稳定性分析方法 式中h 一压力拱拱顶所产生的水平推力。 平衡拱顶推力h 的力是拱脚处的水平反力t ，当t h 时，压力拱可保持稳定，而 t 是由q 形成的摩擦力提供的。q 在拱脚形成的全部垂直反力为： a = q a l ( 2 - 1 5 ) 由a 所形成的水平摩擦力为： t = a f k = q a l f k ( 2 1 6 ) 当t = h ，压力拱处于极限平衡状态，这时压力拱的方程为： y 。蠢( 2 - 1 7 ) 取t 2 = h ，压力拱方程： h l2 ( 2 1 9 ) k 在地下结构设计中，常忽略压力拱曲线所造成的荷载集度的差别，垂直围岩压力均 匀分布，并按h l 计算，既： q 盎y h i( 2 2 0 ) q 汀